焊接冶金学(基本原理)

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1、绪论一、焊接过程的物理本质1.焊接：被焊工件的材质(同种或异种)，通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子问的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。物理本质：1）宏观：焊接接头破坏需要外加能量和焊接的的不可拆卸性（永久性）2）微观：焊接是在焊件之间实现原子间结合。2.怎样才能实现焊接，应有什么外界条件？从理论来讲，就是当两个被焊好的固体金属表面接近到相距原子平衡距离时，就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程，从而形成金属键，达到焊接的目的。然而，这只是理论上的

2、条件，事实上即使是经过精细加工的表面，在微观上也会存在凹凸不平之处，更何况在一般金属的表面上还常常带有氮化膜、油污和水分等吸附层。这样，就会阻碍金属表面的紧密接触。为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，在焊接工艺上采取以下两种措施：1)对被焊接的材质施加压力目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处增加有效的接触面积，从而达到紧密接触。2)对被焊材料加热(局部或整体)对金属来讲，使结合处达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力，加热也会增加原于的振动能，促进扩散、再结晶、化学反

3、应和结晶过程的进行。二、焊接热源的种类及其特征1）电弧热：利用气体介质放电过程所产生的热能作为焊接热源。2）化学热：利用可燃和助燃气体或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能作为热源。3）电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。4）高频感应热：对于有磁性的金属材料可利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实现高速焊接。如高频焊管等。5）摩擦热：由机械摩擦而产生的热能作为热源。6）等离子焰：电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流，它本身携带大量的热能和动能，利用这种能量进行焊接。7

4、）电子束：利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为热源。8）激光束：通过受激辐射而使放射增强的光即激光，经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为热源。三、熔焊加热特点及焊接接头的形成（一）焊件上加热区的能量分布热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的作用面积进行的。对于电弧焊来讲，这个作用面积称为加热区，加热区又可分为加热斑点区和活性斑点区；1)活性斑点区活性斑点区是带电质点(电子和离于)集中轰击的部位，并把电能转为热能；2)加热斑点区在加热斑点区焊件受热是通过电弧的辐射

5、和周围介质的对流进行的。在该区内热量的分布是不均匀的，中心高，边缘低，如同立体高斯锥体.（二）焊接接头的形成：熔焊时焊接接头的形成，一般都要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变，直至形成焊接接头。（l）焊接热过程：熔焊时被焊金属在热源作用下发生局部受热和熔化，使整个焊接过程自始至终都是在焊接热过程中发生和发展的。它与冶金反应、凝固结晶和固态相变、焊接温度场和应力变形等均有密切的关系。（2）焊接化学冶金过程：熔焊时，金属、熔渣与气相之间进行一系列的化学冶金反应，如金属氧化、还原、脱硫、脱磷、掺

6、合金等。这些冶金反应可直接影响到焊缝的成分、组织和性能。（提高焊缝的强韧性：1通过焊接材料向焊缝中加入微量合金元素（如Ti、Mo、Nb、V、Zr、B和稀土等）进行变质处理，从而提高焊缝的韧性；2适当降低焊缝中的碳，并最大限度排除焊缝中的硫、磷、氧、氮、氢等杂质进行净化焊缝，也可提高焊缝的韧性）（3）焊接时的金属凝固结晶和相变过程：随着热源离开，经过化学冶金反应的熔池金属就开始凝固结晶，金属原子由近程有序排列转变为远程有序排列，即由液态转变为固态。对于具有同素异构转变的金属，随温度下降，将发生固态相变

7、。因焊接条件下是快速连续冷却，并受局部拘束应力的作用，因此，可能产生偏析、夹杂、气孔、热裂纹、冷裂纹、脆化等缺陷。故而控制和调整焊缝金属的凝固和相变过程，就成为保证焊接质量的关键。由此看来，焊接接头是由两部分所组成，即焊缝和热影响区，其间有过渡区，称为熔合区。焊接时除必须保证焊缝金属的性能之外，还必须保证焊接热影响区的性能。四、焊接温度场：（一）焊接传热的基本形式：在熔焊的条件下，由热源传热给焊件的热量，主要是以辐射和对流为主，而母材和焊条（焊丝）获得热能之后，热的传播则是以热传导为主。焊接传热过程

8、所研究的内容主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化何题，因研究焊接温度场，是以热传导为主，适当考虑辐射和对流的作用。（二）焊接温度场的一般特征：焊接时焊件上各点的温度每一瞬时都在变化，而且是有规律地变化。焊件上（包括内部）某瞬时的温度分布称为“温度场。焊接温度场的分布情况可以用等温线或等温面表示。所谓等温线或等温面，就是把焊件上瞬时温度相同的各点连接在一起，成为一条线或一个面。各个等温线或等温面彼此之间不能相交，而存在一定的温度差，这个温度差的大小可以用温度梯度来